专利名称：碳氮化钛三元化合物粉体材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种碳氮化钛(TiCN)三元化合物粉体材料的制备方法，属于无机非金属粉体材料制备方法技术领域。
背景技术：
Ti元素的二元碳化物TiC、二元氮化物TiN，具有优良的性能和广泛的用途。TiC具有高的熔点(3260℃)，极高的硬度，较低的密度(4.93g/cm3)和高的抗热、抗氧化性；TiN具有硬度高，韧性好，抗磨损，高熔点(2950℃)，高的化学稳定性和热稳定性，良好的导电导热性，这两种材料已经广泛应用于机械、化工和微电子行业。而Ti-C-N三元化合物则兼具TiC和TiN的优良性能，高温强度高，耐热、耐磨，化学稳定性好，同时又是热和电的良导体，可作为耐磨零件、切削刀具、电极和涂层材料，在机械、电子、化工、汽车制造、航空航天等领域具有广阔的应用前景。
目前，制备TiCN粉体的方法包括通过聚合钛氧基含碳硝化甘油在1100℃高温分解；利用纳米TiN和碳黑在1300℃的氩气流中反应；采用金属钠在600℃还原C3N3Cl3和TiCl4的混合物；联合使用溶胶-凝胶技术和碳热还原技术(1550℃)；利用活性碳在900～1500℃的氮气中还原TiO2；利用钛和碳在氮气中进行高温自蔓延反应；长时间在氮气中球磨TiO2，石墨和铝粉。显然，现有制备TiCN粉体的技术是在高温甚至高压下进行，制备过程复杂，而且难以获得纯度高的粉体。
发明内容为克服现有技术的不足，本发明提供一种以四氯化钛(TiCl4)作钛源、以四氯化碳(CCl4)或碳化钙(CaC2)作碳源、以叠氮钠(NaN3)作氮源的碳氮化钛三元化合物粉体材料的制备方法。
一种碳氮化钛三元化合物粉体材料的制备方法，以四氯化钛(TiCl4)作钛源、以碳化钙(CaC2)作碳源、以叠氮钠(NaN3)作氮源，在不锈钢反应釜中进行化学交换反应，对反应产物经过清洗、抽滤、烘干；化学反应式为；制备工艺如下(1)、在无水无氧手套箱中，将碳化钙(CaC2)、叠氮钠(NaN3)和四氯化钛(TiCl4)、装入高温高压不锈钢反应釜中并搅拌均匀，封釜后，将反应釜在加热炉中加热到400℃-450℃，使三种反应物之间发生化学交换反应，反应时间为2-8小时；
(2)、使反应釜自然冷却到室温后，反应产物经无水酒精清洗、抽滤，除去残余反应物，直到滤液无色为止；(3)、再用去离子水清洗，以除去反应副产物NaCl、CaCl2；(4)、所得产物在60℃温度下烘干3小时后，得到棕红色碳氮化钛三元化合物粉末。
可以用四氯化碳(CCl4)代替上述制备方法中的碳化钙(CaC2)作碳源，反应式为；制备工艺如下(1)在无水无氧手套箱中，将叠氮钠(NaN3)、四氯化钛(TiCl4)和四氯化碳(CCl4)、装入高温高压不锈钢反应釜中并搅拌均匀，封釜后，将反应釜在加热炉中加热到400℃-450℃，使三种反应物之间发生化学交换反应，反应时间为2-8小时；(2)使反应釜自然冷却到室温后，反应产物经无水酒精清洗、抽滤，除去残余反应物，直到滤液无色为止；(3)再用去离子水清洗，以除去反应副产物NaCl；(4)所得产物在60℃温度下烘干3小时后，得到棕红色碳氮化钛三元化合物粉末。
本发明制备的碳氮化钛三元化合物粉体，高温强度高，耐热、耐磨，化学稳定性好，产率不低于85％；粉体的尺寸在几个纳米到几十纳米之间。
图1是通过3ml TiCl4、0.9g CaC2和5.3g NaN3在450℃反应8小时制得的碳氮化钛的X-射线粉末衍射图。
图2是通过3ml TiCl4、0.9g CaC2和5.3g NaN3在450℃反应8小时制得的碳氮化钛的形态及对应的多晶衍射环。
图3是通过3.5ml TiCl4，2.3ml CCl4和14g NaN3在420℃反应8小时制得的碳氮化钛的X-射线粉末衍射图。
图4是通过3.5mi TiCl4，2.3ml CCl4和14g NaN3在420℃反应8小时小时制得的碳氮化钛的形态及对应的多晶衍射环。
具体实施方式
实施例1通过TiCl4、CaC2与NaN3之间的化学交换反应制备TiCN三元化合物超硬超细粉体。在无水无氧手套箱中，用天平称取0.9g CaC2和5.3g NaN3，混合均匀后，装入50ml高温高压不锈钢反应釜中，然后用移液管量取3ml TiCl4，移入反应釜中。封釜后，将反应釜在加热炉中加热到400℃，保持8小时后停止加热。反应产物经无水酒精清洗至滤液无色，再用水清洗至滤液呈中性，然后将产物在60℃烘干3小时后，得到棕红色粉末1.96g。
实施例2通过TiCl4、CaC2与NaN3之间的化学交换反应制备TiCN三元化合物超硬超细粉体。在无水无氧手套箱中，用天平称取0.9g CaC2和5.3g NaN3，混合均匀后，装入50ml高温高压不锈钢反应釜中，然后用移液管量取3ml TiCl4，移入反应釜中。封釜后，将反应釜在加热炉中加热到420℃，保持5小时后停止加热。反应产物经无水酒精清洗至滤液无色，再用水清洗至滤液呈中性，然后将产物在60℃烘干3小时后，得到棕红色粉末1.96g。
实施例3通过TiCl4、CaC2与NaN3之间的化学交换反应制备TiCN三元化合物超硬超细粉体。在无水无氧手套箱中，用天平称取0.9g CaC2和5.3g NaN3，混合均匀后，装入50ml高温高压不锈钢反应釜中，然后用移液管量取3ml TiCl4，移入反应釜中。封釜后，将反应釜在加热炉中加热到450℃，保持2小时后停止加热。反应产物经无水酒精清洗至滤液无色，再用水清洗至滤液呈中性，然后将产物在60℃烘干3小时后，得到棕红色粉末1.96g。
实施例4通过TiCl4、CCl4与NaN3之间的化学交换反应制备TiCN三元化合物超硬超细粉体。在无水无氧手套箱中，用天平称取14g NaN3，用移液管量取3.5ml TiCl4，2.3mlCCl4，装入50ml高温高压不锈钢反应釜中，封釜后，将反应釜在加热炉中加热到400℃，保持8时后停止加热。反应产物经无水酒精清洗至滤液无色，再用水清洗至滤液呈中性，然后将产物在60℃烘干3小时后，得到棕红色粉末1.9g。
实施例5通过TiCl4、CCl4与NaN3之间的化学交换反应制备TiCN三元化合物超硬超细粉体。在无水无氧手套箱中，用天平称取14g NaN3，用移液管量取3.5ml TiCl4，2.3mlCCl4，装入50ml高温高压不锈钢反应釜中，封釜后，将反应釜在加热炉中加热到420℃，保持5时后停止加热。反应产物经无水酒精清洗至滤液无色，再用水清洗至滤液呈中性，然后将产物在60℃烘干3小时后，得到棕红色粉末1.9g。
实施例6通过TiCl4、CCl4与NaN3之间的化学交换反应制备TiCN三元化合物超硬超细粉体。在无水无氧手套箱中，用天平称取14g NaN3，用移液管量取3.5ml TiCl4，2.3mlCCl4，装入50ml高温高压不锈钢反应釜中，封釜后，将反应釜在加热炉中加热到450℃，保持2时后停止加热。反应产物经无水酒精清洗至滤液无色，再用水清洗至滤液呈中性，然后将产物在60℃烘干3小时后，得到棕红色粉末1.9g。
权利要求
1.一种碳氮化钛三元化合物粉体材料的制备方法，其特征在于，以四氯化钛(TiCl4)作钛源、以碳化钙(CaC2)作碳源、以叠氮钠(NaN3)作氮源，在不锈钢反应釜中进行化学交换反应，对反应产物经过清洗、抽滤、烘干；化学反应式为；制备工艺如下(1)、在无水无氧手套箱中，将碳化钙(CaC2)、叠氮钠(NaN3)和四氯化钛(TiCl4)、装入高温高压不锈钢反应釜中并搅拌均匀，封釜后，将反应釜在加热炉中加热到400℃-450℃，使三种反应物之间发生化学交换反应，反应时间为2-g小时；(2)、使反应釜自然冷却到室温后，反应产物经无水酒精清洗、抽滤，除去残余反应物，直到滤液无色为止；(3)、再用去离子水清洗，以除去反应副产物NaCl、CaCl2；(4)、所得产物在60℃温度下烘干3小时后，得到棕红色碳氮化钛三元化合物粉末。
2.如权利要求1所述的碳氮化钛三元化合物粉体材料的制备方法，其特征在于，可以用四氯化碳(CCl4)代替上述制备方法中的碳化钙(CaC2)作碳源，反应式为；制备工艺如下(1)、在无水无氧手套箱中，将叠氮钠(NaN3)、四氯化钛(TiCl4)和四氯化碳(CCl4)、装入高温高压不锈钢反应釜中并搅拌均匀，封釜后，将反应釜在加热炉中加热到400℃-450℃，使三种反应物之间发生化学交换反应，反应时间为2-8小时；(2)、使反应釜自然冷却到室温后，反应产物经无水酒精清洗、抽滤，除去残余反应物，直到滤液无色为止；(3)、再用去离子水清洗，以除去反应副产物NaCl；(4)、所得产物在60℃温度下烘干3小时后，得到棕红色碳氮化钛三元化合物粉末。
全文摘要
碳氮化钛(TiCN)三元化合物超细粉体材料的制备方法，属于无机非金属粉体材料制备方法技术领域。通过反应、抽滤、清洗、烘干等工艺，制备TiCN超细粉体，使用的设备简单而且安全性好，温度低，反应物的转化率高，反应产物处理简单，制备工艺稳定，生产效率高。产品高温强度高，耐热、耐磨，化学稳定性好，产率不低于85％；粉体的尺寸在几个纳米到几十纳米之间。
文档编号C01B31/30GK1559912SQ20041002370
公开日2005年1月5日 申请日期2004年3月2日 优先权日2004年3月2日
发明者白玉俊, 冯欣, 王成国, 吕波, 王正博 申请人:山东大学